随机存取与高维集成量子存储器

《PhotoniX》：Random access and high dimensional integrated quantum memory

　　

随机存取量子存储器（Random-access quantum memory, RAQM）是可扩展量子网络与光量子计算的基本构件。现有实现依赖气态物理系统，而固态平台尤其是集成架构在可扩展部署上具有明显实用优势。然而，当前集成量子存储器受限于单通道操作，既无法实现RAQM，也难以操控高维光子系统。研究人员在151Eu3+:Y2SiO5晶体中基于飞秒激光写入波导阵列演示了一种11通道集成量子存储器。片上电极阵列通过Stark位移诱导的原子干涉对各通道读出时间进行独立控制。该器件对三个时间比特（time-bin）量子比特实现随机存取量子存储，保真度超过99%；并存储五维路径编码（path-encoded）量子态，保真度高于96%。这种多通道集成量子存储器通过随机存取操作支持灵活功能，并为集成架构中高维量子网络提供了实用硬件平台。

论文解读：《PhotoniX》报道的随机存取与高维集成量子存储器研究

研究背景方面，随机存取量子存储器（RAQM，Random-access quantum memory）是可扩展量子网络与光量子计算的关键构件，能够在可单独寻址的通道中存储多个量子比特，并按任意顺序按需读出。已有RAQM实现主要基于冷原子气体、单原子与光学腔等气态或腔耦合系统。固态稀土离子掺杂晶体具有长相干时间、可集成化和高存储密度潜力，但此前集成量子存储器大多为单通道操作，只能实现静态接入复用，无法支持任意顺序读出，也难以在同一芯片上存储高维光量子态（qudit，即维数d大于2的量子态）。高维量子态在信道容量、抗噪、通信安全和量子逻辑简化方面具有优势，而集成光子学已能生成、操控和测量高维纠缠态，却缺少能存储此类态的集成量子存储器。因此，研究人员开展本研究，旨在把RAQM、多通道集成光存储与高维路径编码量子态存储整合到同一稀土掺杂晶体波导平台中。

主要关键技术方法方面，研究人员采用飞秒激光微加工在¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体中制备11条下凹包层光波导阵列，并在晶体表面制备共面电极阵列；利用声光偏转器（AOD，Acousto-optic deflector）按射频信号把光场写入或读出不同波导通道；采用Stark调制原子频率梳（SMAFC，Stark-modulated atomic frequency comb）协议，通过两对极性相反的电场脉冲控制原子重相位过程，实现离散步长的按需读出；时间比特量子比特分析则借助另一块制备为AFC结构的¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体构成非平衡马赫－曾德尔干涉式分析器；高维态表征采用量子态层析（QST，Quantum state tomography）与量子过程层析（QPT，Quantum process tomography）。

研究结果部分，首先为实验装置。研究人员搭建多通道集成量子存储系统，波导沿晶体b轴排布，电极可对波导内Eu³⁺离子施加局部电场，AOD实现11通道光场寻址，SMAFC时序由50 ns、1.56 V级电场脉冲完成，系统可把光定向到单通道或通道相干叠加。

其次为多通道单光子级输入存储。研究人员以平均每个脉冲0.14个光子的弱相干脉冲作为输入，各通道AFC周期设为2 MHz，第1次与第2次AFC回波平均存储效率分别为39.2±0.2%与31.3±0.2%，优于此前集成光子存储器纪录，通道间串扰低于?40 dB，电串扰导致效率退化低于1%，说明该平台适合多独立通道复杂操控。

再次为多个时间比特量子比特的随机存取存储。研究人员在通道5、6、7同时制备AFC，顺序写入Q1、Q2、Q3三个时间比特量子比特，再通过各通道电场脉冲与读AOD实现2-1-3、1-2-3、3-2-1等任意读出顺序；用第二块AFC晶体作时间比特分析器测量叠加态干涉，可见度达98.5%至99.3%，三种读出顺序保真度均超过99%，首次在固态集成平台实现时间比特编码量子比特的RAQM。

随后为高维空间态量子存储。研究人员用路径编码把光场表示为各记忆通道的相干叠加，先在4维路径空间存储，输入包括单通道态、两通道等幅与正交相位叠加态，第2次SMAFC回波在1 μs读出，QST显示输入(|C5?+|C8?)/√2的重构态保真度为98.5±0.6%，4维QPT得到过程矩阵相对于单位操作的保真度Fχ=97.9±0.2%，并由优化算法算出量子信道容量C=1.932±0.007，超过单量子比特容量极限C=1，从信息论上证明该存储器具有高于量子比特的信息密度。

进一步为五维量子态存储。研究人员选取通道5至9编码五维路径叠加态|ψ1?与|ψ2?，第2次SMAFC回波存储效率约30.2%至31.4%，QST得到保真度分别为97.9±0.5%与96.1±0.5%，均远高于48%经典保真度界，证明该集成存储器可可靠存储d=5的qudit；器件维数可随可寻址波导通道数提升，二维波导阵列与交叉AOD可进一步扩展到数百通道。

讨论部分总结，研究人员指出该11通道激光写入波导阵列与片上电极架构，使集成光子存储器具备RAQM与高维存储新功能；未来可用紫外固化胶键合光纤阵列替代自由空间AOD耦合以实现全片上集成，并可采用波导阻抗匹配腔把效率提升至80%以上。自旋波存储协议可借助长寿命自旋相干延长存储时间，零磁场下已达毫秒级，强磁场下可达分钟至小时级，从而面向城域、洲际与可运输高维量子中继网络。

研究结论翻译如下：总之，研究人员在¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅晶体中基于激光写入波导阵列开发了11通道集成量子存储器。各通道通过AOD寻址，并通过片上电极阵列独立控制，通道间串扰可忽略。该多通道架构为集成光子存储器引入新功能，可实现平均保真度超过99%的时间比特量子比特RAQM，以及保真度高于96%的五维态量子存储。为实现全片上集成，当前基于AOD的自由空间耦合可用紫外固化胶把器件直接键合到光纤阵列来替代。采用波导阻抗匹配腔可进一步把存储效率提升到80%以上。未来通过自旋波存储协议可实现更长存储时间；零磁场已实现毫秒级存储，强磁场下可实现分钟甚至小时级相干光存储，为高密、可运输量子存储器与高维量子中继提供路径。